Transductor de medición para la instrumentación de procesos, y método para la monitorización del estado del sensor.

Transductor de medición para la instrumentación de procesos con un sensor (3) para la detección de una variable física o química y para generar una señal de medición (MS),

y con una unidad de activación y evaluación (4, 5) para la determinación y emisión de un valor de medición de la variable física o química en relación con la señal de medición, en donde el sensor (3) presenta, al menos, un elemento eléctrico (R1 ... R4) que se encuentra alojado en un sustrato compuesto de un material semiconductor, y que en el funcionamiento normal se encuentra separado eléctricamente de dicho sustrato mediante una unión PN cerrada (DS), y en donde se disponen medios (K1, RC, 4, 5) para la monitorización del estado del sensor (3) mediante los cuales la unión PN se puede conectar en un funcionamiento de prueba en el sentido de conducción, y que están diseñados para determinar una propiedad eléctrica de la unión PN y para evaluar con el fin de monitorizar el estado del sensor.

Transductor de medición para la instrumentación de procesos, y método para la monitorización del estado del sensor La presente invención hace referencia a un transductor de medición para la instrumentación de procesos con un sensor para la detección de una variable física o química de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 1, así como un método para la monitorización del estado del sensor de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 5.

En las instalaciones de procesos técnicos, para el control de los procesos se utilizan una pluralidad de dispositivos del área de instrumentación de procesos. Los transductores de medición se utilizan para la detección de variables de proceso, como por ejemplo, temperatura, presión, caudal, nivel de llenado, densidad o concentración de gas de un medio. Mediante elementos de ajuste, se puede modificar el desarrollo de procesos en relación con las variables de proceso detectadas, en correspondencia con una estrategia predeterminada, por ejemplo, por una estación de control. Como ejemplo para los elementos de ajuste se mencionan una válvula reguladora, un calentador o una bomba.

A partir de la patente DE 693 09 123 T2 se conoce un sensor de un transductor de presión con un sustrato en forma de lámina. Una membrana delgada, compuesta de silicio y provista de elementos eléctricos, se aplica sobre una cámara abierta. Las variaciones de presión conducen a que la membrana se desvíe hacia el interior o hacia el exterior de la cámara. Las desviaciones generan variaciones de un parámetro eléctrico, generalmente de una capacitancia o de un valor de resistencia, que se pueden medir y se pueden convertir en una información correspondiente a la presión. En la aplicación de sensores de presión de estado sólido en un ambiente de trabajo adverso, se requiere generalmente una carcasa que encierre el sensor y que proteja dicho sensor ante un contacto directo con el medio. Además, la carcasa presenta piezas de metal resistentes a la presión, en las cuales se encuentran dispuestas una o una pluralidad de cámaras de medición que se encuentran cubiertas respectivamente por una membrana flexible y hermética al medio, que separa las cámaras de medición del medio, y que se deforma ante una variación de la presión del medio. Un fluido de llenado no corrosivo e inerte, por ejemplo, un aceite de silicona, se encuentra en la cámara de medición entre la membrana de separación y la membrana del sensor, y transmite la presión a medir a la membrana del sensor. Las líneas eléctricas que conducen señales desde el sensor a contactos exteriores, se conducen hacia el exterior de la carcasa a través de pasos de líneas resistentes a la presión, y se conectan a una unidad de activación y evaluación para la evaluación de las señales que, por ejemplo, a través de un bus de campo, emite un valor de medición correspondiente a la respectiva presión, a una estación de control o a un control de programa almacenado. De dicha declaración de patente no se pueden obtener otros datos en relación con el diseño técnico de los elementos eléctricos que se utilizan para la detección de las desviaciones de la membrana del sensor generadas por la presión.

En general, los elementos sensores que convierten las variables físicas como presión, temperatura o concentraciones de gas, en señales eléctricas, se pueden montar sobre un sustrato plano. Por lo tanto, dicho sustrato se utiliza como una fijación mecánica del elemento sensor sensible sobre un soporte y, además, como protección contra las influencias exteriores, por ejemplo, para el perfeccionamiento de la compatibilidad electromagnética. En particular, en el caso de los sensores de presión piezorresistivos, existe la opción de montar los elementos eléctricos sobre el sustrato de manera que dichos elementos se alojen en el sustrato, y que el sustrato se adultera en las proximidades de dichos elementos, en donde existe un contacto eléctrico entre el elemento eléctrico y el sustrato. Una unión PN en forma de diodo, se ocupa de la aplicación apropiada de una tensión para una separación eléctrica del elemento y el sustrato. Además, las propiedades eléctricas de la unión PN dependen del material del sustrato y de la adulteración. Una modificación del material del sensor, por ejemplo, mediante contaminación química, puede conducir a modificaciones en la señal de medición y, por lo tanto, puede conducir a un error en el valor de medición.

A partir de la patente WO 98/29719 A1, se conoce un sensor para la medición de la carga de peso de un asiento en un vehículo a motor. Paralelamente a un elemento eléctrico del sensor que se utiliza para la detección del peso, se encuentra conectado un diodo con una unión PN. Para la monitorización del estado del sensor se evalúa la tensión del diodo. Además, con la ayuda del diodo se determina la temperatura ambiente, para que se pueda realizar una compensación de los efectos de la temperatura ambiente sobre las propiedades de los elementos eléctricos utilizados para la medición del peso.

El objeto de la presente invención consiste en crear un transductor de medición para la instrumentación de procesos, en el cual se pueda monitorizar el estado de un sustrato que presenta elementos eléctricos para generar una señal de medición.

Para solucionar dicho objeto, el nuevo transductor de medición de la clase mencionada en la introducción, presenta las características indicadas en la parte identificativa de la reivindicación 1. En las reivindicaciones relacionadas se describen los perfeccionamientos ventajosos de la presente invención, y en la reivindicación 5 se describe un método de monitorización.

La presente invención presenta la ventaja de que se puede realizar una monitorización del estado del sensor, por ejemplo, en el caso de modificaciones en el material del sensor mediante contaminación química. Hasta el momento, esta clase de modificaciones no se podían detectar, y podían conducir a apariciones de variaciones del valor de medición que se determina y se emite mediante el transductor de medición. La posibilidad de detectar modificaciones del sensor resulta particularmente ventajosa, dado que cada vez en más aplicaciones de transductores de medición se requiere de una fiabilidad muy elevada en la medición de variables físicas o químicas. Dicha fiabilidad se confirma mediante las certificaciones correspondientes, por ejemplo, de acuerdo con la norma IEC61508, en donde debido a la nueva posibilidad de una monitorización del estado del sensor, las mediciones de diagnóstico en el sensor ya no se deben limitar sólo a la medición de la falla eléctrica en los propios elementos eléctricos o en las líneas de conexión eléctricas. Más bien, ahora se pueden detectar modificaciones en las uniones entre los elementos eléctricos y el sustrato, así como en el propio sustrato.

De manera ventajosa, se permite adicionalmente una monitorización de la precisión del sensor de temperatura, cuando la propiedad eléctrica de la unión PN que se determina y se evalúa para la monitorización del estado del sensor, depende de la temperatura, cuando además se proporciona un sensor de temperatura para la detección de la temperatura del sustrato, y cuando los medios para la monitorización del estado del sensor están diseñados para determinar un primer valor de la temperatura de acuerdo con la propiedad eléctrica, y para comparar con un segundo valor que se determina con el sensor de temperatura. Los sensores de temperatura se integran generalmente junto a los propios elementos eléctricos provistos en el sensor para generar la señal de medición, dado que justo en los sensores con sustrato de silicio no se puede desatender la sensibilidad a la temperatura. En esta clase de sensores es usual un error de 2 %/10 K de diferencia de temperatura, y una medición incorrecta de la temperatura conduce inevitablemente a una compensación incorrecta del valor de medición detectado en relación con la señal de medición. Dado que hasta el momento la medición de la temperatura sólo se ha realizado con la ayuda de un único sensor de temperatura, el diagnóstico del circuito utilizado para la medición de la temperatura se debía limitar a la detección de una falla del propio sensor de temperatura o en sus líneas de alimentación. En comparación, hasta el momento no se podían detectar las apariciones lentas de variaciones. Dado que existe un valor de referencia para la temperatura medida con el sensor de temperatura, debido a que la propiedad eléctrica de la unión PN depende de la temperatura, la medición de la temperatura se puede controlar... [Seguir leyendo]

1. Transductor de medición para la instrumentación de procesos con un sensor (3) para la detección de una variable física o química y para generar una señal de medición (MS) , y con una unidad de activación y evaluación (4, 5) para la determinación y emisión de un valor de medición de la variable física o química en relación con la señal de 5 medición, en donde el sensor (3) presenta, al menos, un elemento eléctrico (R1 … R4) que se encuentra alojado en un sustrato compuesto de un material semiconductor, y que en el funcionamiento normal se encuentra separado eléctricamente de dicho sustrato mediante una unión PN cerrada (DS) , y en donde se disponen medios (K1, RC, 4, 5) para la monitorización del estado del sensor (3) mediante los cuales la unión PN se puede conectar en un funcionamiento de prueba en el sentido de conducción, y que están diseñados para determinar una propiedad eléctrica de la unión PN y para evaluar con el fin de monitorizar el estado del sensor.

2. Transductor de medición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la propiedad eléctrica de la unión PN (DS) depende de la temperatura, porque se proporciona un sensor de temperatura (TS) para la detección de la temperatura del sustrato, porque los medios de monitorización (K1, RC, 4, 5) están diseñados para determinar un primer valor de la temperatura de acuerdo con la propiedad eléctrica, y para comparar con un segundo valor que se determina con el sensor de temperatura (TS) .

3. Transductor de medición de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la propiedad eléctrica de la unión PN (DS) es su tensión directa en el sentido de conducción.

4. Transductor de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los medios (K1,

RC, 4, 5) para la monitorización del estado se encuentran dispuestos, al menos, parcialmente en la unidad de 20 activación y de evaluación (4, 5) .

5. Método para la monitorización del estado de un sensor para la detección de una variable física o química, y para generar una señal de medición (MS) en un transductor de medición para la instrumentación de procesos, que presenta una unidad de activación y evaluación (4, 5) para la determinación y emisión de un valor de medición de la variable física o química en relación con la señal de medición (MS) , en donde el sensor (3) presenta, al menos, un elemento eléctrico (R1 … R4) que se encuentra alojado en un sustrato compuesto de un material semiconductor, y que en el funcionamiento normal se encuentra separado eléctricamente de dicho sustrato mediante una unión PN cerrada (DS) , en donde el método comprende las siguientes etapas:

conmutación de la unión PN (DS) en el sentido de conducción, durante un funcionamiento de prueba, determinación de una propiedad eléctrica de la unión PN (DS) , y evaluación de la propiedad eléctrica para la monitorización del estado del sensor (3) .